质子交换膜燃料电池膜电极综述.pdf

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1、船电技术I综述V01．35No．62015．6质子交换膜燃料电池膜电极综述夏丰杰，叶东浩(武汉船用电力推进装置研究所，湖北武汉，430064)摘要：膜电极是质子交换膜燃料电池的核心部件，决定着质子交换膜燃料电池的性能、寿命以及成本。本文着重介绍了膜电极组成、性能技术指标及技术发展现状，：有序化膜电极是质予交换膜燃料电池膜电极技术发展的最具潜力方向。关键词：质子交换膜燃料电池膜电极三维有序中图分类号：TM93l文献标识码：A文章编号：1003。4862(2015)06—0024—04ReviewonMembraneElectrodeAssembl

2、yforProtonExchangeMembraneFuelCellXiaFengjie，YeDonghao(WuhanInstituteofMarineElectricpropulsion，Wuhan430064，China)Abstract：Membraneelectrodeassembly(MEA)isakeycomponentofprotonexchangemembrane乃elcell(PEMFC)，dominatingtheperformance，lifetimeandcostofPEMFC．Inthispaper,theoverv

3、iewoftheMEAcomponents，propertiesandcurrenttechnicalstatusisgiven．TheorderedMEAisconsideredasthemostpotentialdirectionforMEAofPEMFC．Keywords：protonexchangemembrane缸elcell(PEMFC)；membraneelectrodeassembly(MEA)：ordered燃料电池是能将储存在氢燃料和氧化剂中的化学能通过电化学反应的方式直接转换为电能的能量转化装置⋯。质子交换膜燃料电池(PE

4、MFC)与其它类型的燃料电池(女HAFC、MCFC、PAFC、SOFC等)相比，具有工作温度低、启动快、能量转化效率高、无废气排放等特点，被认为是解决能源危机和环境污染的最具前景的方案之一，特别是交通运输如汽车、船舶等方面极具应用前景[2]。丰田、奔驰、本田、通用、现代等汽车制造巨头都致力于开发车用质子交换膜燃料电池技术，并制定了各自商用化时问表，其中韩国现代已于2013量产了燃料电池汽车ix35，日本丰田也于2014年12月商业化燃料电池汽车MIRAI。目前制约燃料电池技术大规模商业化应用的瓶颈是燃料电池的寿命和成本。根据美国能源部2013年

5、收稿日期：2015-01—12作者简介：夏丰杰(1984一)，男，工程师。研究方向：燃料电池。“FuelCellTechnicalRoadmap”报告pJ，经燃料电池电动车的示范项目运行表明：燃料电池寿命仅为2500h，与2020年达蛰j5000h目标寿命还有较大差距。另外，由于其成本(目前成本为51$／kW，而高性能内燃机成本为5$／kW)和寿命仍然没有达到车用商业化要求。膜电极(MembraneElectrodeAssemblies，MEA)是质子交换膜燃料电池的核心部件，是多相物质传输和电化学反应场所，决定着质子交换膜燃料电池的性能、寿命

6、以及成本。其中膜电极结构示意图如图2所示，由阴极催化层、质子交换膜及阳极催化层组成通常称为三层膜电极(3一layerMEA)；由阴极扩散层、阴极催化层、质子交换膜、阳极催化层及阳极催化层组成通常称为五层膜电极(5一layerMEA)；由密封层(阴极)、阴极扩散层、阴极催化层、质子交换膜、阳极催化层、阳极催化层及密封层(阳极)组成通常称为七层膜电极(7一layerMEA)。随着车用质子交换膜燃料电池商业化发展的需要，美国能源部于2013年“FuelCellTechnicalV01．35No．62015．6船电技术I综述TeamRoadmap’’报

7、告‘31中提出了未来膜电极的发展技术指标，如表1所示，其中，膜电极2020年目标为：功率密度1000mW／cm2(额定功率下)，循环老化寿命5000h，成本14$／kW。膜电极要在阴极阳极性能、寿命和成本满足商业化要求就必须做到使得阳极和阴极的铂族元素金属(PGM)催化剂总用量不超过0．125g／cm2膜电极。表1膜电极的技术目标图2膜电极结构不意图1膜电极工艺技术发展及现状自质子交换膜燃料电池发展至今，膜电极技术已经经历了几轮革新。20世纪60年代美国双子星太空计划开发质子交换膜燃料电池用膜电极，采用铂黑作为催化剂，当时铂载量超过10mg／c

8、m2；在20世纪80年代以碳载铂催化剂(Pt／C)取代铂黑后，膜电极的铂载量急速降低了1个数量级；90年代后随着纳米材料技术发展，采用新的膜电极制备技